水からきれいな燃料を取り出す

30年2023月XNUMX日（Nanowerkニュース) クリーンエネルギーの豊富な供給は、目に見えないところに潜んでいます。 それは水から抽出できる水素です（H2O) 再生可能エネルギーを使用する。 科学者たちは、気候変動との戦いの一環として、化石燃料に代わるクリーンな水素を水から生成する低コストの方法を模索している。 水素は水だけを排出しながら車両に動力を供給できます。 水素は、多くの工業プロセス、特に製鉄やアンモニア生産において重要な化学物質でもあります。 これらの業界では、よりクリーンな水素を使用することが非常に望まれています。 アルゴンヌ国立研究所が率いる複数の機関のチームは、水からきれいな水素を生成するプロセス用の低コストの触媒を開発しました。 他の貢献者には、DOE のサンディア国立研究所、ローレンス バークレー国立研究所、Giner Inc が含まれます。この研究は、 科学 (「固体高分子電解用La・Mnドープコバルトスピネル酸素発生触媒」). 水との電極触媒反応中に相互接続された繊維状の触媒粒子から発生する酸素の泡 (右)。 左はコバルト系触媒の格子構造。 (画像: アルゴンヌ国立研究所/Lina Chong と Longsheng Wu、シャッターストックの背景を使用) 「電気分解と呼ばれるプロセスは、水から水素と酸素を生成し、XNUMX 世紀以上前から存在しています」とアルゴンヌ国立研究所の上級化学者、Di-Jia Liu 氏は述べています。 彼はまた、シカゴ大学のプリツカー分子工学大学院でも兼務しています。 陽子交換膜 (PEM) 電解装置は、このプロセスの新世代技術を代表します。 室温付近でより高い効率で水を水素と酸素に分解できます。 エネルギー需要が削減されるため、太陽光や風力などの再生可能だが断続的な資源を使用してクリーンな水素を製造するのに理想的な選択肢となります。 この電解槽は、各電極 (カソードとアノード) に個別の触媒を使用して動作します。 カソード触媒は水素を生成し、アノード触媒は酸素を生成します。 問題は、アノード触媒にイリジウムが使用されていることですが、現在の市場価格はオンスあたり約5,000ドルです。 イリジウムの供給不足と高コストが、PEM 電解槽の普及にとって大きな障壁となっています。 新しい触媒の主成分はコバルトで、イリジウムよりも大幅に安価です。 「私たちは、最小限のエネルギー消費で高スループットで水素を生成する、PEM 電解槽での低コストのアノード触媒の開発を目指しました」と Liu 氏は述べています。 「私たちの方法で調製したコバルトベースの触媒を使用することで、電解槽でクリーンな水素を製造するためのコストの主なボトルネックを取り除くことができます。」 電解槽および燃料電池の商業化に向けて取り組んでいる大手研究開発会社である Giner Inc. は、工業用操作条件下で PEM 電解槽テスト ステーションを使用して新しい触媒を評価しました。 他社触媒をはるかに上回る性能と耐久性を実現しました。 触媒の性能をさらに向上させるために重要なのは、電解槽の動作条件下での反応機構を原子スケールで理解することです。 研究チームは、アルゴンヌの先進光子源 (APS) で X 線分析を使用して、動作条件下で触媒内で発生する重大な構造変化を解読しました。 彼らはまた、サンディア研究所とアルゴンヌのナノスケール材料センター（CNM）で電子顕微鏡を使用して、重要な触媒の特徴を特定しました。 APS と CNM はどちらも DOE Science Office のユーザー施設です。 「私たちは、準備のさまざまな段階で新しい触媒の表面の原子構造を画像化しました」とアルゴンヌの材料科学者、Jianguo Wen 氏は述べています。 さらに、バークレー研究所の計算モデリングにより、反応条件下での触媒の耐久性に関する重要な洞察が明らかになりました。 このチームの成果は、米国を模倣したエネルギー省の水素エネルギー・アースショット・イニシアチブにおける一歩前進である。 1960年代の宇宙計画の「ムーンショット」。 その野心的な目標は、グリーン水素の製造コストを XNUMX 年以内に XNUMX キログラムあたり XNUMX ドルに下げることです。 そのコストをかけてグリーン水素を生産すれば、国の経済を再構築する可能性がある。 アプリケーションには、電力網、製造、輸送、住宅および商業用暖房が含まれます。

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• 情報源： https://www.nanowerk.com/news2/green/newsid=63079.php